Nghiên cứu cấu trúc ngắt đã có và ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32 BIT

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VIỆT DŨNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC NGẮT ĐÃ CÓ VÀ ỨNG DỤNG VÀO VIỆC THIẾT KẾ CPU RISC 32BIT Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : ThS TỐNG VĂN ON Cán chấm nhận xét : PGS.TS LÊ TIẾN THƯỜNG Cán chấm nhận xét : TS HOÀNG TRANG Luận Văn Thạc Sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Ngày … Tháng… Năm…… TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp.HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : TRẦN VIỆT DŨNG Năm sinh : 1981 Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử I- Phái : Nam Nơi Sinh : Tây Ninh MSHV : 01407334 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC NGẮT ĐÃ CÓ VÀ ỨNG DỤNG VÀO VIỆC THIẾT KẾ CPU RISC 32-BIT II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu cấu trúc ngắt vài vi xử lý - Thiết kế vi xử lý RISC 32-bit có ngắt - Cài đặt vi xử lý RISC 32-bit FPGA III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25/01/2010 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/12/2010 V- : ThS TỐNG VĂN ON HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ hội đồng chuyên ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi trân trọng gửi đến Thạc Sĩ Tống Văn On lời cảm ơn chân thành hướng dẫn tận tình lịng biết ơn sâu sắc động viên đóng góp ý kiến Thầy suốt thời gian tơi thực luận văn Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô khoa Điện – Điện Tử, đặc biệt Thầy Cô môn Điển Tử Viễn Thông, Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM tận tình giảng dạy, hướng dẫn giúp đỡ tơi q trình học tập hồn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bạn Trần Hồn người hổ trợ cho tơi kit DE2 để tơi hồn thành luận văn cách tốt Sau xin bày tỏ tình cảm đến bạn khóa trao đổi nhiều tài liệu giúp đỡ suốt thời gian học TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010 TRẦN VIỆT DŨNG Nghiên cứu cấu trúc ngắt có ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On MỤC LỤC Lời cảm ơn! Chương : TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC NGẮT TRONG HỆ VI XỬ LÝ I Khái niệm vai trò ngắt hệ vi xử lý II Điều khiển ngắt hệ vi xử lý Chương 2: NGHIÊN CỨU MỘT VÀI CẤU TRÚC NGẮT I Cấu trúc ngắt họ vi điều khiển 8051 II Cấu trúc ngắt họ vi điều khiển PIC16 .8 III Cấu trúc ngắt ARM Giới thiệu .9 Các ngoại lệ ARM 11 Các ngắt ARM 14 IV Cấu trúc ngắt máy tính 16 1.Cấu trúc ngắt máy tính PC AT 16 Cấu trúc ngắt máy tính PC Pentium 17 V Kết luận 19 Chương THIẾT KẾ CPU RISC 20 I Tổng quan máy tính 20 II Tập lệnh 21 Tóm tắt tập lệnh 21 Định dạng lênh 22 Các chế độ định địa 24 III Đường liệu đơn chu kỳ 23 Tìm nạp lệnh 23 Giải mã lệnh 24 Thực thi lệnh 24 Lắp ghép thành phần đường liệu 29 IV Đường liệu đa chu kỳ 30 Tổng quan đa chu kỳ 30 Đường liệu đa chu kỳ 31 HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang i Nghiên cứu cấu trúc ngắt có ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Tạo clock cho đường liệu đa chu kỳ 32 Năm bước lệnh 33 Điều khiển đa chu kỳ 38 V Hiện thực hóa thiết kế CPU RISC đa chu kỳ ngôn ngữ VHDL 42 Thiết kế thư viện số 42 Thiết kế tập ghi 42 Thiết kế ALU 43 Thiết kế đơn vị điều khiển 44 Thiết kế nhớ 45 Thiết kế ghi 46 Thiết kế MUX 47 Kết mô CPU RISC thực thi lệnh 48 Chương 4: THIẾT KẾ CPU RISC CÓ NGẮT 49 I Sửa đổi CPU RISC 32 bit hổ trợ ngắt 49 II Thiết kế đơn vị điều khiển ngắt 56 III Tổng hợp CPU RISC 32 bít có điều khiển ngắt 59 Chương V: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 60 I Kết thực 60 II Hướng phát triển đề tài 60 Tài liệu tham khảo 61 Phụ lục 1: Kết mô 10 lệnh Phụ lục 2: Mã code VHDL HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang ii Nghiên cứu cấu trúc ngắt có ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối xử lý Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ vi xử lý đơn giản Hình 1.3 Điều khiển ngoại vi phương pháp hỏi vòng Hình 1.4 Điều khiển ngoại vi phương pháp kích ngắt Hình 1.5 Minh họa việc thực thi chương trình có khơng có ngắt xảy Hình 1.6 Điều khiển ngoại vi phương pháp kích ngắt có điều khiển ngắt Hình 2.1 Sơ đồ khối họ vi điều khiển 8051 Hình 2.2 Sơ đồ khối khối điều khiển ngắt họ vi điều khiển 8051 Hình 2.3 Mơ hình điều khiển ngắt vi điều khiển PIC16C84 Hình 2.4 Mơ hình điều khiển ngắt vi điều khiển PIC16F887 Hình 2.5 Tập ghi ARM 10 Hình 2.6 Mơ hình phân vùng nhớ RAM động máy tính PC AT 16 Hinh 2.7 Bộ điều khiển ngắt cứng máy tính PC AT 17 Hình 2.8 Mơ hình hệ thống ngắt máy tính Pentium nhiều CPU 19 Hình 3.1 Mơ hình máy tính 20 Hình 3.2 Định dạng khuôn dạng lệnh MIPS 23 Hình 3.3 Lưu đồ bước thực thi mã lệnh 25 Hình 3.4 Đường liệu thời gian tìm nạp lệnh 26 Hình 3.5 Đường liệu thời gian giải mã lệnh 26 Hình 3.6 Đường liệu thời gian thực thi lệnh dạng R 27 Hình 3.7 Đường liệu thời gian thực thi lệnh lw sw 28 Hình 3.8 Đường liệu thời gian thực thi lệnh rẽ nhánh 29 Hình 3.9 Đường liệu thời gian thực thi lệnh nhảy 29 Hình 3.10 Đường liệu đơn chu kỳ 30 Hình 3.11 Sơ đồ khối đường liệu đa chu kỳ 31 Hình 3.12 Sơ đồ phân phối clock cho đường liệu đa chu kỳ 32 Hình 3.13 Hoạt động đường liệu thời gian tìm nạp lệnh 34 Hình 3.14 Hoạt động đường liệu thời gian giải mã lệnh 35 Hình 3.15 Hoạt động đường liệu thời gian thực thi lệnh lw sw 36 Hình 3.16 Hoạt động đường liệu thời gian truy cập nhớ (lệnh Lw) 37 HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang iii Nghiên cứu cấu trúc ngắt có ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Hình 3.17 Thực máy trạng thái hữu hạn 38 Hình 3.18 Sơ đồ phần cứng xử lý dùng đường liệu đa chu kỳ 40 Hình 3.19 Sơ đồ máy trạng thái cho xử lý sử dụng đường liệu đa chu kỳ 41 Hình 3.20 Sơ đồ phần cứng CPU RISC đa chu kỳ 42 Hình 3.21 Mơ hình tập ghi 43 Hình 3.22 Mơ hình đơn vị ALU 44 Hình 3.23 Mơ hình đơn vị điều khiển ALU 44 Hình 3.24 Mơ hình đơn vị điều khiển MIPS 45 Hình 3.25 Mơ hình nhớ MIPS 46 Hình 3.26 Mơ hình ghi 47 Hình 3.27 Mơ hình MUX 48 Hình 3.28 Kết mô lệnh MIPS 48 Hình 4.1 Tập ghi sửa đổi 50 Hình 4.2 Phân vùng nhớ 51 Hình 4.3 Lưu đồ trình điều khiển xử lý ngắt 52 Hình 4.4 Sơ đồ phần cứng sau sửa đổi 53 HÌnh 4.5 Sơ đồ máy trạng thái sau sửa đổi 54 Hình 4.6 Kết mơ phỏngbộ xử lý trung tâm đáp ứng ngắt 55 Hình 4.7 Sơ đồ khối đơn vị điều khiển ngắt 57 Hình 4.8 Kết mơ việc test đáp ứng đơn vị điều khiển ngắt 58 Hình 4.9 Kết mơ q trình vào phục vụ ngắt CPU RISC 59 HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang iv Nghiên cứu cấu trúc ngắt có ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Các vector ngắt họ vi điều khiển 8051 Bảng 2.2 Các chế độ hoạt động ARM Bảng 2.3 Bảng kết hợp ngoại lệ với chế độ làm việc ARM 11 Bảng 2.4 Bảng vector ngoại lệ ARM 12 Bảng 2.5 Bảng thứ tự ưu tiên ngoại lệ xử lý ARM 13 Bảng 2.6 Các vector ngắt cừng máy tính PC AT 17 Bảng 3.1 Tâp lệnh MIPS 22 Bảng 3.2 Bảng giá trị ngõ điều khiển đường liệu 39 Bảng 3.3 Bảng giá trị trạng thái kế 39 HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang v Nghiên cứu cấu trúc ngắt có ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ACK ALU APIC ARM CPSR CPU DMA EOI EPC FIQ I/O IE IMR INTC INTR IR IRQ MDR MIPS MUX OVF PC RAM RF RISC ROM SP SPSR SWI VHDL VHSIC Acknowledgement Arithmetic logic unit Advanced Programmable Interrupt Controller Acorn RISC Machine Current Program Status Register Central Processing Unit Direct Memory Access End Of Interrupt Exception Program Counter Fast Interrupt Request Input/Output Interrupt Enable Interrupt Mark Register Interrupt Controller Interrupt Interrupt Request Interrupt Request Memory Data Register Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages Multiplex Over Flow Program Counter Random Access Memory Register File Reduced Instructions Set Computer Read-Only Memory Stack Pointer Saved Program Status Register Software Interrupt VHSIC hardware description language Very-high-speed integrated circuits HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang vi Phục vụ ngắt chồng lắp Nghiên cứu cấu trúc ngắt có ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Có tín hiệu ngắt HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Phục vụ ngắt đơn Kết thúc ngắt Trang 58 Nghiên cứu cấu trúc ngắt có ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On III TỔNG HỢP CPU RISC 32 BIT CÓ ĐIỀU KHIỂN NGẮT Sau thiết kế mô thành công khối CPU có hổ trợ ngắt khối điều khiển ngắt, tiến hành ghép nối tổng hợp thành CPU RISC 32 bit có điều khiển ngắt Và sau kết mơ CPU RISC 32bit có điều khiển ngắt Hình 4.9 Kết mơ q trình vào phục vụ ngắt CPU RISC HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang 59 Nghiên cứu cấu trúc ngắt có ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Chương V KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI I KẾT QUẢ THỰC HIỆN Trong luận văn này, tác giả trình bày khái niệm tầm quan trọng ngắt vi xử lý Đồng thời trình bày qua số cấu trúc ngắt thông dụng xử dụng vi xử lý Ngoài ra, phần cứng tác giả đạt số kết sau  Thiết kế thành công CPU RISC 32 bit hổ trợ tập lệnh 10 lệnh bao gồm : lw, sw, beq, add, addi, sub, and, or, j jr  Thiết kế mô thành công CPU RISC 32 bit đáp ứng với yêu cầu ngắt  Thiết kế mô thành công đơn vị điều khiển ngắt với 08 nguồn ngắt với mức độ ưu tiên khác  Kết nối CPU RISC 32 bit với đơn vị điều khiển ngắt mô với kết khả quan  Thiết kế chương trình ứng dụng CPU RISC có ngắt vừa thiết kế nạp lên kit DE2 đạt kết sau: o Chương trình thực đếm số xoay vòng từ 00 đến 99 hiển thị 02 led đoạn o Chương trình phục vụ ngắt làm nhiệm vụ hiển thị vector ngắt tương ứng 02 led đoạn chờ khoảng thời gian trở chương trình o Hiện tại, CPU giải vấn đề phục vụ hoàn chỉnh ngắt đơn ngắt chồng lắp lên o Khuyết điểm thiết kế vấn đề ưu tiên ngắt gặp lỗi tác giả tìm hướng giải II HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Do tác giả người chuyên lập trình VHDL thực đề tài độc lập nên đề tài dừng lại mức tổng hợp CPU RISC thực 10 lệnh bản, đáp ứng với ngắt sử dụng đường liệu đa chu kỳ Nếu có điều kiện tác giả phát triển CPU chạy hết tập lệnh MIPS, xử lý ngoại lệ sử dụng kiến trúc đường ống để tăng hiệu suất hệ thống HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang 60 Nghiên cứu cấu trúc ngắt có ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tống Văn On (2007) Thiết kế mạch số với VHDL & VERILOG, nhà xuất lao động xã hội [2] Tống Văn On (2007) Thiết kế vi mạch CMOS VLSI, nhà xuất phương đông [3] Tống Văn On (2005) Ngun lý mạch tích hợp: “ASIC lập trình được”, nhà xuất lao động xã hội [4] Tống Văn On “Giáo trình cấu trúc máy tính”, nhà xuất giáo dục năm 2000 [5] http://www.altera.com [6] http://www.icdrec.edu.vn [7] http://www.xilinx.com [8] http://www.wikipedia.org [9] Neil H.E.Weste and David Harris, “CMOS VLSI Design: A Circuits and System Perspective, Third Edition, ISBN 0-321-14901-7 [10] University of Michigan, VLSI Design http://www.eecs.umich.edu HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang 61 Nghiên cứu cấu trúc ngắt áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On PHỤ LỤC Hình 3.29 Kết mơ lệnh cộng hai ghi HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang i Nghiên cứu cấu trúc ngắt áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Hình 3.30 Kết mơ lệnh cộng trừ hai ghi HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang ii Nghiên cứu cấu trúc ngắt áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Hình 3.31 Kết mô lệnh AND hai ghi HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang iii Nghiên cứu cấu trúc ngắt áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Hình 3.32 Kết mơ lệnh OR hai ghi HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang iv Nghiên cứu cấu trúc ngắt áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Hình 3.33 Kết mơ lệnh BEQ với điều kiện so sánh sai HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang v Nghiên cứu cấu trúc ngắt áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Hình 3.34 Kết mơ lệnh BEQ với điều kiện so sánh HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang vi Nghiên cứu cấu trúc ngắt áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Hình 3.35 Kết mô lệnh BEQ với điều kiện so sánh HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang vii Nghiên cứu cấu trúc ngắt áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Hình 3.36 Kết mơ lệnh nhảy đến địa chị chứa ghi HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang viii Nghiên cứu cấu trúc ngắt áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Hình 3.37 Kết mơ lệnh cất liệu vào nhớ HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang ix Nghiên cứu cấu trúc ngắt áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Hình 3.38 Kết mơ lệnh load liệu từ nhớ HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang x Nghiên cứu cấu trúc ngắt áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32-bit GVHD : Th.S Tống Văn On Hình 3.39 Kết mơ lệnh nhảy khơng điều kiện HVTH : Trần Việt Dũng – MSHV : 01407334 Trang xi ... ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC NGẮT ĐÃ CÓ VÀ ỨNG DỤNG VÀO VIỆC THIẾT KẾ CPU RISC 32- BIT II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu cấu trúc ngắt vài vi xử lý - Thiết kế vi xử lý RISC 32- bit có ngắt -... ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32- bit GVHD : Th.S Tống Văn On V KẾT LUẬN Từ số trúc ngắt tìm hiểu rút kết luận có xu hướng thiết kế CPU có ngắt thiết kết xử lý đáp ứng ngõ vào ngắt kết hợp... MSHV : 01407334 Trang Nghiên cứu cấu trúc ngắt có ứng dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32- bit GVHD : Th.S Tống Văn On Chương NGHIÊN CỨU MỘT VÀI CẤU TRÚC NGẮT I CẤU TRÚC NGẮT TRONG HỌ VI ĐIỀU KHIỂN